增设喷雾降温系统的家用空调器性能与特性的试验研究

胡文举,张 帅, 李德英,张啊文

1 前言

随着人们对室内居住环境的舒适性要求提高，建筑的空调室外机布置密集，造成局部环境气温升高。特别是近年来，地球温室效应不断加剧，夏季室外气温比往年明显升高，大部分都在36 ℃以上，局部地区可达40 ℃[1]。以上原因，导致空调冷凝器的散热条件越来越差，造成家用空调器的散热能力不能达到设备出厂时的设计要求，空调器出力受阻，增加空调电耗[2]。为了改善空调器性能，笔者针对现有的分体式空调器的实际结构和安装方式，为空调器的室外机加装喷雾装置，在保证换热面积和通风量恒定的情况下，增强冷凝器的散热能力，提高空调性能，达到降低空调器耗电量和减少运行能耗的目的。

2 系统原理和试验系统

2.1 喷雾降温空调制冷系统原理

图1为增设喷雾降温系统空调器系统原理图。和传统的空调器相比，本系统在翅片管换热器管束前加装了雾化喷头。当夏季空调器运行时，水由雾化喷头喷出。喷出的水雾首先与进入冷凝器的空气接触，部分水雾对冷凝器的进风进行等焓加湿，降低冷凝器进风温度，进而可以有效降低空调器冷凝温度；然后，剩余水雾在自身惯性和流动空气的作用下，流向翅片管管簇，在翅片管表面形成水滴或聚集为水膜。水膜在重力作用下沿着翅片管向下流动,流动过程中在冷凝器翅片管束表面进行蒸发吸热，达到降低制冷剂冷凝温度的目的，从而提高空调器的性能[4，5]。采用逆向空气喷雾时，空气和水接触充分，热湿交换效率较大，可在消耗较少水量的情况下充分利用水蒸发潜热降低空气温度进而冷却空调室外机。

图1 喷雾降温空调制冷系统原理示意

2.2 试验系统

整个试验系统分为三部分：空调制冷系统、喷雾系统和数据监测采集系统。其中空调制冷系统包括室内机、室外机（压缩机、冷凝器、风机及热力膨胀阀）以及在相关位置上安置的热电偶等装置；本研究所选择的实测对象是一台分体落地式房间空调器。其额定制冷量为7.2 kW，额定功率为2.26 kW，制冷工质为R22。

喷雾系统是整个试验的关键部分，主要由水箱、水泵、压力表、阀门和喷嘴组成，如图1所示。本次试验采用的喷嘴为平孔压力喷嘴，喷嘴平面布置如图2所示。

图2 喷嘴布置平面

数据监测采集系统包括安捷伦数据采集仪以及所连接的T型热电偶、电流钳传感器和多功能大功率计插座、温湿度自记仪以及电子天平等。

为了更好地研究喷雾装置对系统运行状态的影响，试验主要测量的参数包括室内外环境空气温湿度、空调室内机进出风温湿度、室外机喷雾装置及冷凝器出风温度，室外机铜管壁面温度、室内外机的风量测量、耗电量及耗水量。室内外空气温度及冷凝器表面温度测量采用的是T型热电偶，精度为0.1 ℃。热电偶探头布置在室内机和室外机进出风口、冷凝器和蒸发器表面以及压缩机进出口等位置；湿度测量采用高精度湿度传感器，测量范围为0%~100% RH，精度范围为±3%RH。收集所测数据采用Agilent 34972 A数据采集仪。空调器耗电量采用电流钳传感器和多功能大功率计插座，同时测量瞬时功率和累计耗电量。其中，电流钳传感器精度为±0.1%，功率计精度为±0.1%。

喷雾量的测量采用称重法，将水箱放在电子天平上，测量前后水量差值即为喷雾量。称重采用的高精度电子天平，精度为0.01 kg，测量范围是0.00~30.00 kg。室内外机的风量测量采用风量罩测量。本试验选用风量罩的风量测量范围为42~4250 m3/h，风速测量范围为0~50 m/s，精度为0.015 m/s。

3 测试数据和分析

试验主要测试了不同室外空气参数、不同喷雾量情况下制冷系统的性能及特性的相关参数。试验选择了3种室外空气状态工况进行试验，测试室外空气温度分别为28，32和36 ℃，室外空气相对湿度为28%±3%。为了研究喷雾量对系统的影响，试验还选择了4种喷雾量进行测试，即喷雾量分别为0，6，7.5和12 kg/h进行系统试验。测试期间室内环境工况稳定不变，温度保持在26 ℃，相对湿度65%。

3.1 室外机排风温度及排风温升

空调器室外机散热性能直接影响到空调的制冷性能，而室外机的排风温度是判断室外机散热性能的一个重要指标。开始测试前，首先进行无喷雾时室外机排风温度试验：选择2种不同室外温度工况（28，33 ℃）进行测试，测试期间保持室外机风量恒定。然后进行喷雾量分别为6，7.5和12 kg/h时系统性能与特性的试验研究。

图3为室外机排风温度及排风温升随喷雾量的变化。

图3 室外机排风温度及排风温升随喷雾量的变化

从图中可看出，在相同室外温度条件下，不同喷雾量时室外机排风温度差异明显：喷雾量越大，室外机排风温度越低；与不喷水时相比，喷雾时的室外机排风温度降低3~8 ℃，随着喷雾量的增加，室外机的排风温度有效降低。比较排风温度和室外空气温度可发现，随着喷雾量的增加，排风温度与室外空气温度的差值越来越小，表明喷雾量越大，空调室外机排风温升越小。当室外温度为28℃、喷雾量为12 kg/h时，室外机排风温度仅比室外空气温度高1.4 ℃，降温效果非常明显。因此，在相同室外空气干球温度下，增加喷雾量可有效降低室外机的排风温度和排风温升，最终可有效降低室外机周围的空气的温升。

3.2 冷凝器压力

图4为空调器冷凝压力随室外环境温度及喷雾量的变化。从图4可看出，在不喷雾（或者相同喷雾量）时，冷凝器内制冷剂压力会随着室外空气干球温度升高而升高，但空气经过喷雾降温处理后，制冷剂压力明显降低，且喷水量越大，压力越低。喷水量为6 kg/h时，制冷剂压力比不喷水时平均低约0.06 MPa，最大压差达到0.08 MPa；而喷水量为12 kg/h时，制冷剂压力又比喷水量为7.5 kg/h时平均低约0.09 MPa，最大压差达到0.14 MPa。由此可见，对空气进行喷雾降温处理后，可明显降低冷凝器内制冷剂压力，提高冷凝器的换热性能，降低压缩机压比。

图4 空调器冷凝压力随室外环境温度及喷雾量的变化

3.3 制冷量、耗电量及EER

为了测量测试空调器的制冷量，在室内机出风口安装出风空气参数测定装置，测定相关参数并进行计算，制冷量的计算采用空气焓差法：

An——室内机测量空气参数风罩出口面积，m2

ρn——测点出空气密度，kg/m3

ha1——室内机进口空气焓值，kJ/kg

ha2——室内机出口空气焓值，kJ/kg

W——测点处空气绝对湿度，kg/kg

在不同室外干球空气温度下，各工况的制冷量如图5所示。从图可看出，相同室外干球温度下，在喷雾量增加的过程中，空调器的制冷量也在不断增加。与不喷雾时相比，对空气进行喷雾加湿后，明显提高了空调器的换热性能和制冷能力，制冷量最高可提升10%。

图5 制冷量随室外干球温度及喷雾量的变化

进一步分析试验测试数据可看出，本次试验采用的空调器在室外空气36 ℃、不喷水的情况下，制冷量为5150 W，而当喷水量为12 kg/h时制冷量达到5540 W，提升了近400 W。分析其原因：（1）喷雾装置有效降低了空调器的冷凝压力；（2）未喷水时空调器室外机冷凝器表面被灰尘粘附，降低空调器换热系数，而增加喷雾装置后，雾状水流经翅片管处，冲刷翅片管，减少积尘，降低了传热热阻，增强换热性能。

图6 空调器耗电功率随喷雾量的变化

室外干球温度和喷雾量对空调器耗电的影响如图6所示。从图中可以看出，由于喷雾降低了进入冷凝器的入口空气温度，进而降低了空调器的冷凝压力，最终有效减少了压缩机的能耗。在相同室外干球温度下，随着喷雾量的增加，空调器耗电量明显降低，而且，在室外空气温度越高，空调耗电功率的降低幅度越大：在室外干球温度28 ℃时，与不喷雾时相比，喷雾量为12 kg/h时空调器耗电量降低了7%；而在室外温度为36℃时，虽然空调器绝对耗电量较大，但是与不喷雾时相比，喷雾量为12 kg/h时空调器耗电量降低了8%，下降幅度增加了。因此，空调器喷雾降温的方法更适合在高温环境中使用，可以获得更好的效果。

空调器性能系数EER随喷雾量变化如图7所示。研究发现：在没有设置喷雾装置前，空调器的制冷系统EER比较低，而且室外机进风温度越高，EER越低。但增加了喷雾装置后，虽然系统增加了喷雾泵的功耗（水泵功率较小，为150 W），但是与此同时也提高了系统的制冷量并有效降低了压缩机耗功，最终导致空调器制冷系统的能效比EER比没有喷雾时有了明显的提高，提高幅度为2%~7%。因此，系统增设喷雾泵对系统的能效比具有积极的影响。

图7 空调器性能系数EER随喷雾量变化

4 结语

针对北方夏季高温条件下空调系统出力受阻的问题，提出了在空调室外机上增设喷雾降温系统以达到降低冷凝温度，提高制冷系统EER，减少空调能耗的目的。在家用空调器上开展了增设喷雾降温系统后空调器性能特性研究。试验数据表明，喷雾降温系统在家用空调上是完全可行的，增设喷雾降温装置可以增加空调器制冷量并提高EER，节约电能。实测结果表明，增设喷雾加湿系统后，测试条件下的空调器的制冷量可以增加6%~10%，EER增加量为2%~7%，节能效果非常明显。

［1］ 付祥钊,高志明,康侍民. 长江流域住宅夏季通风降温方式探讨［J］. 暖通空调,1996(3):27-29.

［2］ 韩龙娜. 基于风冷冷凝器喷雾降温装置的实验研究［D］.北京：北京建筑大学,2015.

［3］ 赵荣义，范存养.空气调节［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］ 冯志明. 分体空调冷凝器喷雾降温技术实验研究［D］.重庆：重庆大学,2014.

［5］ 胡士松,刘伟,章玮玮，等. 单相阶段板式多喷嘴阵列喷雾冷却的试验研究［J］. 流体机械，2015,43(7)：1-5.

［6］ 李敏毅，刘定强，梁显有.空调器空气焓差法测量制冷(热)量方式及误差分析［J］.实用测试技术，2002(3):24-27.